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基于LabVIEW的气体微流量测量虚拟仪器的开发

在真空技能使用中,气体微流量由气体微流量计检测。精确检测气体微流量(或漏率)具有十分重要的含义。例如,为了坚持飞船舱内的压力长时刻作业正常,需要对舱体进行检漏,检漏时不但要找到漏孔方位,还要精确检测细小的漏率,这关于长时刻在空间飞翔的载人飞船尤为重要;火箭燃料是易燃、易爆、有毒的气体或液体,细小的走漏具有很大的危险性,要对火箭燃料的加注进程和发射阵地进行安全检测;在电子工业中的半导体元件、集成电路、核算机芯片的出产工艺中,要求精确操控气体微流量的注入,以确保工艺质量和产品性能的安稳。为了满意以上需求,研发检测精度和可靠性更高、检测规模更宽、检测界面直观、主动化程度高的气体微流量计是十分必要的。使用虚拟仪器技能构建的气体微流量检测虚拟仪器体系就是为了完成上述方针而进行的研讨探究。

完成气体微流量检测的虚拟仪器体系的树立

气体微流量的检测原理

气体微流量的检测原理是:当气体流出其变容室时,伺服电机经过平动组织驱动活塞在油室中水平运动,活塞运动会改动其在油室中的体积,而液压油的体积是根本不变的,这样波纹管就遭到力的作用而发作形变,使其内的气体压力坚持稳定,气体在Tr温度(Tr一般取23℃)下的流量Q经过检测变容室内气体的压力p、温度T和体积改变率dV/dt后由公式(1)核算得到。

由式(1)可知,检测流量时,不但要精确地检测出变容室内气体的压力、体积改变率和温度,还要在检测进程中操控变容室内气体的压力,使其稳定。

虚拟仪器的硬件结构

硬件及功用描绘:

本着“提高检测精度和主动化程度,减小检测不断定度”的准则,规划了一套以工控机为中心的检测与操控体系,选用了精度较高的检测东西,并用多块数据收集卡把各检测东西与操控器材联络在一起,完成了数据主动收集和恒压主动调度功用。硬件整体结构如图1所示。

图1 硬件整体结构图

选用3个Pt100铂电阻温度传感器、3个ADAM3013热电阻变送模块及1块PCI-1716多功用数据收集卡可完成对变容室、参阅室及实验室温度一起进行收集。温度的检测规模为0~100℃,精度为0.1℃。

选用美国MKS公司出产的一套差压式电容薄膜规(包含三个规头、一个操控单元MKS274和一个数据显现单元MKS670,MKS670上有一个488接口,核算机经过IEEE488数据收集卡进行量程和规头挑选)、美国NI公司出产的IEEE488数据收集卡完成气体压力的检测。压力的检测规模为0~1.01×105Pa。

使用台湾凌华公司出产的运动操控卡PCI-8132、伺服操控卡和方位操控卡、平动组织(首要包含选用北京微电机总厂出产的70LC-1型永磁式直流力矩测速机组、型号为HES-10242MD脉冲编码器、丝杠、θ5的活塞)等完成对伺服电机进行速度和方位操控(伺服操控结构简图见图2)。丝杠导程2mm,精度为0.001mm,是位移检测的基准。

图2 伺服操控结构简图

速度环的反应信号取自测速发电机,反应环节中参加滤波是为滤除低速时的谐波。方位环中方位传感元件――光电编码器将发生的电脉冲反应给方位板经信号调度后给PCI-8132中的减法计数器,所以每来一个脉冲,计数器就从方针值减去1,直到计数器的内容为0,伺服电机转到方针方位而中止旋转。

恒压操控原理:差压式电容薄膜规、IEEE488数据收集卡、工控机、8132电机操控卡、方位/伺服操控卡、电机、导轨平动组织、活塞、液压油和波纹管一起组成了一个负反应恒压主动调度的闭环操控体系。在流量检测进程中,参阅室内的气体压力不变,当有气体流出变容室时,引起变容室的压力发作改变,在变容室与参阅室之间发生压差△p,核算机循环检测这一压差信号。核算机依据压差值△p的大小,选用预先设定的操控算法核算出相应的电机转速调整量,并输出到方位操控卡,使电机驱动卡依据该电压信号从头驱动伺服电机,使伺服电机的转速得到了调整。电机驱动活塞在油室中运动,改动变容室的容积,使变容室与参阅室之间的差压值△p维持在零邻近,使得变容室的压力p根本上坚持稳定。

体系的操控算法

本体系选用时刻最优(B-B操控)与积别离离PID操控的双模操控算法。时刻最优操控可加速调度的作用,而PID操控则确保盯梢精确度与稳态误差满意要求。时刻最优操控模式为

式中:E1为时刻最优操控误差门限;Rk,Yk,ek,Uk为第k次采样时的设定值、检测值、误差值、核算机输出值;Umax为核算机输出的最大值。

积别离离式PID操控可以增强抗积分饱满功用,避免超谐和振动。其根本思想是:当误差较大时,撤销积分作用,只进行PD调度。只有当误差在某规模内时,才参加积分作用,进行PID调度,其操控方程可导出为

Kp,Ki,Kd别离为操控器的份额、积分、微分系数;E为积分作用门限值,其值需依据操控精度在调试时最终断定。

虚拟仪器的软件规划及完成

体系软件选用模块化规划,可将不同检测内容规划成独自的功用模块。由主界面程序构成结构结构,各子模块别离完成必定的功用,在主界面程序或其它的子程序中调用。各功用模块间的独立性较强,一般都可独自调试、修正和移植。所以整个体系软件层次明晰、易于理解、便于修正、利于开发新功用。体系软件由气体压力的数据收集模块、温度的数据收集模块、活塞位移的数据收集模块、电机驱动和转速操控模块、压力补偿程序模块、检测数据的存贮和显现模块组成。图3为选用LabVIEW6.1开发的气体微流量检测虚拟仪器主界面。

图3 气体微流量检测虚拟仪器主界面

不断定度剖析

整个仪器的不断定度由以下部分组成,现别离论述。

压力的检测不断定度

压力由电容薄膜规检测。依据国防科工委真空计量一级站对电容薄膜规的校准成果,压力检测的不断定度为0.8%。

活塞位移和时刻的检测不断定度

位移由编码器检测。编码器每输出4096个脉冲,活塞行进2mm,其分辨力为0.5μm。流量检测中活塞的最大行程为36mm(对应73728个脉冲)。将活塞移动位移设定为73728个脉冲(即36mm),检测编码器实践输出的脉冲数为73726。由检测成果可知,活塞位移的检测不断定度为△L/L=(2×2)/(4096×36)=0.0027%时刻的检测直接取自工控机的时钟,其精度为0.001.s。在检测流量时,流量的有用检测时刻大于100s。这样,时刻检测的不断定度小于0.001%。

变容室温度的检测不断定度

Pt100铂电阻温度传感器的检测精度为0.1K,实验室的温度约为23℃,则温度检测的不断定度约为0.04%。

恒压操控作用

在参阅室中充入104175Pa的N2,设置好各PID操控参数,经过小孔将流量引入双球校准体系,进行恒压调度。图4为PID调度成果。

图4 恒压操控作用图

由PID调度成果中知,变容室和参阅室之间的压力差被操控到变容室压力的±0.004%之内,加上参阅室内气体压力的静态波动(约为0.005%)后,变容室内气体压力的波动约为0.0.%。从以上的实验成果可知,整个流量计的相对组成规范不断定度为

该不断定度远小于流量计的规划指标(2%)。

结束语

在该体系的规划中,经过选用高精度的检测元件和先进的测控办法,提高了流量的检测精度,延伸了流量的检测下限。虚拟仪器技能的使用,使气体微流量检测体系具有人性化的操作界面与易于操作的特色,提高了该体系的主动化程度、可靠性和维护性。


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